第七节　呼吸系统疾病与基因的关系

一、呼吸系统疾病的遗传学研究概况

从遗传的角度上，呼吸系统疾病既包含了由多种遗传基因变异和环境因素共同参与及相互作用引起的多基因病，也包含了由单个遗传基因突变引起的单基因病。单基因病在遗传病中所占病种最多，累积范围最广。单基因病又被称为孟德尔遗传病，是由明确的单个基因突变而出现的临床表现和体征，突变可以发生在一对同源染色体的其中一条染色体上，也可以发生在两条染色体上，实际上就是由一对等位基因所控制。呼吸系统单基因病，如囊性纤维化（cystic Fibrosis，CF）、α1-抗胰蛋白酶缺乏症等，依照“孟德尔式”遗传方式，将隐性或显性基因形式的遗传代代相传。呼吸系统单基因病的研究方面，基因连锁分析联合克隆定位出囊性纤维化的致病基因；随着分子生物学技术的进步,通过全外显子测序，发现更多的原发纤毛运动障碍的致病基因。呼吸系统多基因病，如哮喘、支气管肺发育不良等，基因和环境都在疾病易感性中起主要作用，研究的热点在于寻找易感基因，其作为生物标记能够对疾病进行风险评估、早期诊断、病情监控以及个性化用药。呼吸系统疾病是从自限性的呼吸道感染到哮喘，再到支气管扩张、间质性肺疾病等一系列疾病，其病种复杂多样，但是就诊时临床表现却缺乏特异性，因此临床医师对呼吸系统遗传性疾病关注较少。在儿童疾病诊断中，尤其是针对少见病和疑难病，遗传因素至关重要。近年来随着精准医学的发展和基因测序技术的更新，遗传病诊断水平日益提高，疾病的基因学研究得到了飞速发展。疾病致病基因和基因易感性可作为疾病筛查、个性化用药的检测基础。

二、呼吸系统单基因病

呼吸系统单基因病目前可以简单分类为：①原发于肺的单基因病，其中又可根据部位分为：气道性疾病，如囊性纤维化、原发纤毛运动障碍等；肺间实质性疾病，如先天性肺泡表面活性物质代谢障碍、α1 抗胰蛋白酶缺乏、家族性肺纤维化、肺间质糖原累积症等；肺血管及淋巴管相关疾病，如先天性肺血管病变如遗传性毛细血管扩张症、肺泡毛细血管发育不良、先天性淋巴管扩张症、淋巴管肌瘤病等；②累及呼吸系统而出现相应表型的综合征或全身系统疾病，如马方综合征、神经肌肉病、原发免疫缺陷病、甲基丙二酸血症联合同型半胱氨酸血症等^［1］。本章节将对上述部分疾病进行概况。

1.囊性纤维化（cystic fibrosis，CF）

CF是一种常染色体隐性遗传疾病，由第7号染色体上的囊性纤维化跨膜传导调节因子（CFTR）基因突变引起。CFTR蛋白是调节气道上皮细胞以及胰腺，肝脏，肠道和皮肤中氯离子转运的离子通道。CF在高加索人种的发生率最高，亚洲人群少见，但随着分子诊断水平的逐步提高，越来越多的亚洲人种病例被报道。到目前为止，已经在CFTR中发现了超过2 000个与CF有关的突变，在欧美国家，ΔF508是最常见的突变类型。CF的临床表现为胰功能不全、肺部反复感染、不孕不育等。CF的诊断在其治疗、预后中有至关重要的作用，及时的诊断可以使CF患者在脏器没有发生严重损伤前就可以得到良好的治疗，其诊断主要依赖于临床证据，并且通过两个等位基因中的CFTR突变所证实。基因检测对临床表现不典型的病例起到了良好的诊断作用。CF的基因治疗是CFTR调节剂和增效剂，旨在通过修饰CFTR蛋白的功能来纠正导致CFTR基因缺陷的药物。由于CFTR调节剂的治疗效果基于个体蛋白质缺陷，第一个上市的CF基因治疗药物是2012年1月获得美国食品和药物管理局批准使用的Ivacaftor，其针对CFTR的G551D突变位点，以改善肺功能并减少呼吸道症状，而对ΔF508无效，随后被发现的Lumacaftor是一种小分子调节剂，可用于ΔF508突变。目前CF的基因治疗药物Ivacaftor与Lumacaftor联合可以显著提高CF的治疗作用。在未来CF基因治疗是要以个人的特定等位基因为基础，实现有针对性的精准治疗，而不是单纯针对某一个位点的突变。

2.原发性纤毛运动障碍（primary ciliary dyskinesia，PCD）

PCD是一种遗传性异质性常染色体隐性遗传疾病，由纤毛不同部位的功能丧失引起，这些纤毛排列在气道黏膜的上皮细胞上，并负责清除分泌物和异物。患有PCD的患者经常发生上下呼吸道感染，常导致支气管扩张，气道异常扩大。基因检测在该病的诊断中起着重要作用。目前报道有31个基因与PCD相关，其中最常见的是 DNAH5，DNAI1，DNAAF1，CCDC39，CCDC40，DNAH11 和 LRRC6^［2］。

3.α1-抗胰蛋白酶缺乏症（α1-antitrypsin deficiency）

α1-抗胰蛋白酶是蛋白酶抑制剂，主要在肝脏中产生，其保护肺免受中性粒细胞弹性蛋白酶的蛋白水解损伤。α1-抗胰蛋白酶缺乏症是一种常染色体隐性遗传疾病，由SERPINA1基因突变引起，使异常的α1-抗胰蛋白酶在肝脏过度合成，血清中正常α1-抗胰蛋白酶的水平非常低，最严重的突变类型为“Z”突变（Glu342Lys）纯合子的患者。由于蛋白酶-抗蛋白酶失衡造成肺泡隔膜破坏，最终导致严重的早发性肺气肿。α1-抗胰蛋白酶缺乏肺部表型最常见的是呼吸急促，另外其他症状包括慢性咳嗽、喘息以及反复呼吸道感染。肺部影像学表现为肺气肿。α1-抗胰蛋白酶缺乏症在北欧等国家的白种人高发，亚洲关注少。α1-抗胰蛋白酶缺乏症与COPD、肺气肿的发生密切相关，有1%～2%的COPD患者存在α1-抗胰蛋白酶缺乏症^［3］。

4.先天性肺泡蛋白沉积症（congenital alveolar proteinosis，CAP）

CAP 是一组以肺泡和终末呼吸细支气管填充大量的磷脂、蛋白质样物质为特征的先天性疾病，肺组织活检可见过碘酸希夫染色（periodic acid-Schiff stain，PAS）阳性。该病的临床表现异质性大，患者可出现呼吸窘迫，呼吸短促，或无症状。胸部CT常显示间实质浸润。先天性肺泡蛋白沉积症有五种亚型。肺表面活性物质代谢功能障碍1型（pulmonary surfactant metabolism dysfunction-1，SMDP1）以常染色体隐性方式遗传，并且由染色体2p12-p11.2上的表面活性蛋白B基因（SFTPB）突变引起，患有SFTPB突变的患儿往往有严重的病程，在出生后仅仅能存活几个月。SMDP2是一种常染色体显性疾病，由位于染色体8p21.3上的表面活性蛋白C基因（SFTPC）突变引起的。SFTPC突变引起的临床表型特征异质性大，可从新生儿的严重呼吸窘迫综合征到成人特发性肺纤维化。SMDP3属于常染色体隐性方式遗传，由ATP结合盒，亚家族A，成员3（ABCA3）突变引起。SMDP4和SMDP5分别是由于在染色体Xp22.32和22q12.3上的集落刺激因子2受体α（CSF2RA）基因突变和粒细胞-巨噬细胞集落刺激因子2受体β（CSF2RB）基因突变导致肺泡巨噬细胞发育受损，巨噬细胞无法正常分解表面活性物质引起的疾病。其中SMDP4是一种X连锁隐性疾病。SMDP5以常染色体隐性方式遗传。

5.其他呼吸系统单基因疾病

包括全身系统性疾病或综合征累及肺部。同型半胱氨酸血症、甲基丙二酸血症等引起的肺血管炎症，临床中可见肺动脉高压、肺间质病变。甲基丙二酸血症联合同型半胱氨酸血症是一组常染色体隐性，或X连锁的遗传病，引起多系统受累，可导致肺动脉高压和肺血栓栓塞，弥漫性肺疾病^［4］，其分子机制是由甲基钴胺素（methylcobalamine，MeCbl）合成途径中不同的基因突变引起的，包括MMADHC，LMBRD1，ABCD4 和 HCFC1等 Loeys-Dietz 综合征、马方综合征、Ehler-Danlos 综合征、Birt-Hogg-Dube 综合征等引起结缔组织发育异常表现为气胸、肺大疱以及肺气肿等。Hermansky-Pudlak综合征患者可存在肺间质病变。另外以肺部感染为早期常见表现的原发免疫缺陷病（primary immunodeficiency disease，PID）在呼吸系统单基因病中也占很大比例，相对常见的PID如慢性肉芽肿病的CYBB基因的突变使个体出现反复呼吸道感染、肺部严重感染等（详见相关章节）。原发免疫缺陷病的疾病谱广泛，推测达数千种，未知致病基因众多，随着全外显子测序的应用，将会有越来越多的候选基因被挖掘出来。

三、呼吸系统单基因病的遗传特点

1.临床异质性

临床异质性是指同一个基因突变可以导致临床表型的不同。例如，肺泡表面活性物质代谢异常中SFTPC基因突变引起的相关临床表现多样，如婴儿肺泡蛋白沉积症、细胞性间质性肺炎、小细胞肺癌等。SFTPC的作用机制尚不完全明确，临床表型复杂，不断有新发表型被报道。单基因病临床表型的多样性示可能存在其他机制，如基因修饰、环境影响或是甲基化等。基因型和临床表型的关系越固定，单基因病的诊断越简单，临床医生需要累积临床表型的特点，为能更好地开展分子诊断奠定基础。

2.基因异质性

病例的临床表型相似，可由不同基因突变引起，且遗传方式不同，这被称为基因异质性。例如，常染色体隐性遗传疾病PCD，目前报道有31个基因可能与之相关。基因检测在该病的诊断中起着重要作用。随着高通量测序技术的发展，可以进一步挖掘潜在新发致病基因，提高了单基因病的诊断水平，为进行疾病的遗传性研究奠定基础。

3.基因突变的异质性

基因突变的异质性表现为不同类型的基因突变与临床表型多样性有相关性。例如肺泡表面活性物质代谢异常中ABCA3基因不同突变类型可引起不同临床表型，纯合无义突变时，患者临床表型重，常于出生后夭折，若两个等位基因均为其他突变类型时病情相对较轻，起病年龄在1岁以后^［5］。另外X连锁慢性肉芽肿，大约有 60%的患儿由CYBB基因突变所致，不足1%的患者可由X染色体连续缺失所致，该类患儿的临床表型相对重，同时伴有Kx抗原缺失所致的棘状红细胞增多、Duchenne型肌营养不良、色素视网膜炎等^［6］。

四、呼吸系统多基因病

呼吸系统疾病复杂多变，与多基因遗传有关的呼吸系统疾病的数量则更多。此处以哮喘和支气管肺发育不良为例。

1.哮喘

哮喘是一种临床综合征，其病理生理学特征复杂，是由多种炎症细胞、细胞因子参与形成气道高反应性和慢性气道炎症的过程，涉及基因众多。利用候选基因和全基因组关联分析发现许多基因与哮喘或哮喘相关的特征如过敏和血清中IgE升高有关联。其中部分基因参与固有免疫反应过程中的各种环节，包括模式识别受体，免疫调节细胞因子和涉及抗原呈递的分子等；也可以是Th2细胞分化和效应功能的关键因素，如IL13，IL10，IL4R，STAT6，FCER1A 和 HLA-DRB1等。利用连锁分析发现了几个在气道上皮细胞和/或平滑肌细胞中表达的哮喘易感基因，这些基因的功能可能与维持上皮屏障的完整性有关，如ADAM33，DPP10等。关于哮喘的首次全基因组关联研究显示在位于染色体17q21的ORMDL3和GSDMB与儿童期哮喘密切相关^［7］。

哮喘的临床表型因个体化差异而不同，从临床表现上，大部分患者发作期时会出现呼吸困难，咳嗽和/或喘息，但也有患者没有症状，或者可能存在慢性呼吸困难，或表现为轻度至中度劳累，亦可能仅仅发生夜间觉醒；从肺功能上，部分哮喘患者肺功能检测正常；另外部分哮喘患儿对常规治疗效果欠佳，成为难治性哮喘，上述这些可能都存在遗传因素，哮喘的遗传学研究至关重要，为其个体化管理奠定基础，寻找相关基因最为生物标志，可以检测病情变化，预测发作并指导用药。在药物遗传学方面，对糖皮质激素疗效的判定，目前已经鉴定出部分基因的多个单核苷酸多态性对吸入糖皮质激素的临床反应，如TBX21、FCER2、CRHR1以及GLCCI1等数个基因直接或间接影响哮喘发生的炎症机制通路^［8］。

2.支气管肺发育不良（bronchopulmonary dysplasia，BPD）

BPD是在遗传易感性的基础上，由于外界因素，如氧疗、炎症反应等对发育不成熟的肺造成损伤，损伤后的肺异常修复，最终导致肺结构和功能异常。目前研究认为遗传易感性在支气管肺发育不良扮演重要的角色。易感基因是支气管肺发育不良的研究热点。研究BPD相关的遗传畸变的研究方法，包括候选基因研究，全基因组关联研究，外显子组测序，整合组学分析和通路分析等。针对双胞胎的研究显示遗传因素对BPD具有较强的影响；候选基因研究确定了许多潜在参与BPD形成的基因，如表面活性蛋白B基因（SFTPB），编码血管内皮生长因子（VEGF），肌营养不良蛋白聚糖（dystroglycan），基质金属蛋白酶（MMPs），巨噬细胞迁移抑制因子（MIF），白介素，肿瘤坏死因子（TNF）以及Toll样受体（TLR）等，但每个基因的病因学贡献并不大。目前没有报道拷贝数变异（copy number variation，CNV）与BPD有显著相关。目前研究报道，通过外显子组测序技术新发现的BPD相关基因与肺发育相关。

3.呼吸系统感染性疾病与基因

遗传因素可能增加呼吸道感染的风险，包括急性支气管炎和肺炎。模式识别受体遗传多态性可增加特定微生物感染的风险，以及引起微生物感染严重程度的不同^［9］。识别鞭毛蛋白的Toll样受体5（Toll-like receptor 5，TLR5）的缺陷增加了军团菌感染。凝集素补体途径中基因的多态性增加了CF患者早期出现铜绿假单胞菌定植的风险。

五、呼吸系统疾病分子诊断的现状及展望

呼吸系统疾病的临床表型不特异，容易忽略对呼吸系统遗传性疾病的诊断。然而在临床中我们发现有不少遗传病以肺部疾病起病或是存在呼吸系统症状，呼吸科常作为首诊科室，因此对呼吸系统疾病进行分子诊断势在必行。基因检测在呼吸系统疾病中的应用包括筛查、诊断、预后判断以及药物优化等，如新生儿CF筛查、PCD等呼吸系统疑难少见病的诊断，哮喘的用药指导等。近几年随着基因检测技术的发展，全外显子测序的广泛应用，呼吸系统疑难少见病的诊断水平明显提高，更多的新致病基因被发现，为研究呼吸系统疾病的机制奠定基础，同时也揭示了新的治疗靶点。

要获取准确、优质的分子诊断结果需要基于基因型与表型的关联研究分析。分子诊断要基于临床表型的挖掘，但是表型表述不统一，临床水平层次差异，以及表型本身的特点包括异质性、时间渐进性、表型重叠性等，导致临床表型较难有客观的描述。需要在临床中积极开展表型标准化研究项目。另外，分子诊断需要一个医疗团队的共同力量，包括临床医生、临床遗传专家、生物信息人士等，要建立专业的临床分子诊断医疗团队。临床医师作为始动因子，而临床遗传专家需要贯穿整个诊断过程。

六、基因治疗

过去的三十年，基因治疗一直被用做创新工具。从理论上讲，它通过使用正常基因表达替代突变基因的功能障碍对单基因疾病的治疗带来显著影响。1990年，美国食品和药物管理局批准了世界上第一例基因疗法的临床试验，是治疗一名因腺苷脱氨酶缺陷导致严重联合免疫缺陷病的4岁女孩。但是近10年来基因治疗发展缓慢，直到细胞分子生物学的迅速发展，基因治疗终于迎来了曙光。在2017年，更多的基因治疗临床试验开展起来，美国FDA首次批准了针对血液病的CAR-T细胞免疫法和眼科遗传病的疗法Luxtuma^［10］。基因载体、基因编辑在基因治疗过程中发挥着关键作用。基因载体可分为病毒载体和非病毒载体，目前最有临床前景的病毒载体是反转录病毒（retrovirus）和腺相关病毒（AAV），AAV介导的基因治疗研究在全世界最广泛。但是由于很多人携带了针对病毒的免疫记忆细胞，就可能出现相关免疫反应，因此开发非病毒载体的基因治疗意义重大。麻省理工学院（MIT）的科学家开发出了一种非病毒运输Cas9的载体：纳米颗粒^［11］。基因编辑可以精确地修改基因组，有助于了解单基因疾病的发病机制，探索基因功能，从而实现基因治疗。基因编辑包括锌指核酸酶（ZFN），转录激活物样效应核酸酶（TALEN）和聚簇调节间隔短回文重复相关的RNA引导Cas9（CRISPR-Cas9）核酸酶主要用于CF、Duchenne型肌营养不良，以及某些PID的基因治疗已在临床试验或动物模型中成功实施。在未来，更多的基因治疗将从实验室走向临床。

（姚 瑶　申昆玲）

参考文献

1.申昆玲，姚瑶.关注儿童呼吸系统单基因病.中华实用儿科临床杂志，2018，33（4）：247-249.

2.Takeuchi K，Kitano M，Ishinaga H，et al.Recent advances in primary ciliary dyskinesia.Auris Nasus Larynx，2016，43（3）：229-236.

3.Lomas DA，Hurst JR，Gooptu B.Update on alpha-1 antitrypsin de ficiency：New therapies.J Hepatol，2016，65（2）：413-424.

4.Jinrong Liu，Yun Peng，Nan Zhou，et al.Combined methylmalonic acidemia and homocysteinemia presenting predominantly with late-onset diffuse lung disease：a case series of four patients.Orphanet J Rare Dis，2017，12（1）：58.

5.Kroner C，Wittmann T，Reu S，et al.Lung disease caused by ABCA3 mutations.Thorax，2017，72（3）：213-220.

6.贺建新，郭雅洁，冯雪莉.X 染色体连续缺失致慢性肉芽肿病和 Mcleod 综合征2例报告并文献复习.临床儿科杂志，2016，34（8）：614-617.

7.Duong-Thi-Ly H，Nguyen-Thi-Thu H，Nguyen-Hoang L.Effects of genetic factors to inhaled corticosteroid response in children with asthma：a literature review.J Int Med Res，2017，45（6）：1818-1830.

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9.Alvarez AE，Marson FAL，Bertuzzo CS，et al.Association between single nucleotide polymorphisms in TLR4，TLR2，TLR9，VDR，NOS2 and CCL5 genes with acute viral bronchiolitis.Gene，2018，645 ：7-17.

10.Dunbar CE，High KA，Joung JK，et al.Gene therapy comes of age.Science，2018，12 ：359（6372）.

11.Yin H，Song CQ，Suresh S，et al.Structure-guided chemical modi fication of guide RNA enables potent nonviral in vivo genome editing.Nat Biotechnol，2017，35（12）：1179-1187.